物理學家將量子力學與廣義相對論結合,找到替代黑洞奇點的新方法

2020-12-04 山川異域合作共贏

物理學家提議替代黑洞,物理學家已經將量子力學概念與廣義相對論結合在一起,從而找到了替代黑洞奇點的新方法。

當您跨過兩個黑洞的假設選擇時,您會得到什麼?,這是一個自洽的半經典相對論恆星,發表了有關恆星命運的新數學模型。

當大質量恆星的壽命終止時,它會發生超新星飛行,留下一個密實的核,按照傳統的思想,該核將繼續坍塌以形成中子星或黑洞。特定恆星的命運取決於其質量。中子星在量子力學簡併壓力的排斥力和引力之間找到平衡,而更多質量的核坍塌成黑洞,無法抵抗自身引力的巨大吸引力。

排斥重力

現在,Carballo-Rubio向混合物中添加了一個額外的力:量子漲落。量子力學表明,虛擬粒子會自發地出現和消失-可以在真空中最佳地測量效果,但這些波動可能發生在時空的任何地方。可以將這些粒子視為正能量和負能量的波動,這些波動在正常情況下會抵消。但是緊湊物體的極端重力打破了這種平衡,有效地產生了負能量。這種負能量會產生排斥力。

自1970年代末以來,人們就已經知道由於引力場而引起的量子[漲落]的存在。但是物理學家不知道在坍縮的恆星中如何考慮這種影響。

Carballo-Rubio派生的方程式,它結合了廣義相對論和量子力學,從而解決了量子漲落。此外,他發現了解決方案,該方案可以平衡可能產生黑洞的恆星質量的引力和負重力。這些緊湊的物體被稱為「半古典相對論星」,它們在自身的重量下不會完全坍塌以形成事件視界,因此不是黑洞。

混合星

有趣的是,Carballo-Rubio的半古典相對論性星具有先前提出的黑洞替代方案的標誌:引力星和黑星。

引力星和黑星也包括普通物質和量子漲落。但是,當最初提出這些想法時,尚不了解包含量子波動的方程,因此,理論家Carballo-Rubio的恆星從基於已知物理學的一致方程組中自然而然地出現。

重力星和黑色恆星的結構不同:在重力星核中,大的量子漲落將普通物質向外推動,從而在表面形成超薄殼。另一方面,黑星在其整個結構中平衡物質和量子漲落。

Carballo-Rubio的明星就像之前兩個想法的混合體。一方面,物質和量子[漲落]都存在於整個結構中,就像黑星模型一樣。另一方面,恆星顯示兩個不同的元素,即核心和超薄殼,就像在引力星模型中一樣。

穩定性問題

這些雜星是否存在於現實世界中尚有爭議。Carballo-Rubio的解決方案不包含時間,因此尚不清楚此類恆星是否會保持穩定或迅速變形成其他形狀像一個黑洞。

這樣的解決方案顯然對小擾動是不穩定的。

如果Carballo-Rubio可以證明他的半經典相對論恆星確實是動態穩定的,他將開始進行下一代重力波天文臺將在未來幾十年內提供必要的精度水平,以區分非常規的緊湊型天體和黑洞,可能為支持這種新型恆星的存在提供證據。

相關焦點

  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    黑洞根據廣義相對論,當大重量恆星結束核聚變,中心會坍縮到史瓦西半徑以內而形成黑洞,根據英國物理學家彭羅斯和霍金證明的奇性定理,黑洞中心會產生一個體積無限小,密度無限大的奇點,在奇點處時空終結,物理規律失效,這是一個預言中的奇異點,實際存不存在無從驗證,因為它永遠被黑洞視界包裹著,黑洞視界阻止了外界獲取內部的任何信息
  • 廣義相對論和量子力學打架的黑洞奇點,真可能通向另一個宇宙嗎?
    人類對黑洞的認知歷史黑洞是大神史瓦希在第一次世界大戰戰場上通過求解愛因斯坦廣義相對論引力場方程,取得的一個特殊解,大概意思就是當天體質量不變,尺寸縮小到史瓦希半徑以下時,它將不可避免的坍縮為黑洞。至此黑洞已經完美印證了廣義相對論的推斷,當然它不是第一個,最早是水星進動驗證,而後是日食光線彎曲驗證,但黑洞成像技術實在要求太高,100多年後才目睹黑洞真容!黑洞的時空特性,它會連接另一個宇宙嗎?廣相大到可以計算整個宇宙的形狀(弗裡德曼在1922年就假設宇宙物質均勻分布計算過宇宙的形狀),小到可以形容黑洞內部的世界!但廣義相對論有一個致命的弱點!
  • 當代理論物理學最艱巨的任務——將廣義相對論與量子力學完全統一
    當人們探究宏觀世界的奧秘時,只要使用廣義相對論就足夠了;而當人們探究微觀世界的奧秘時,只需要量子力學就可以了。這兩個理論在各自的領域就如同兩把萬能鑰匙,無論多麼複雜的鎖都能打開。但是,只要一涉及宇宙大爆炸奇點問題和黑洞問題的時候,不論是廣義相對論還是量子力學,仿佛都失靈了。
  • 將量子力學和相對論結合會發生什麼?黑洞中兩種理論巨大的矛盾!
    在牛頓建立的經典物理學大廈遭受到打擊之後,拔地而起兩座目前最讓人著迷的兩座新大廈,一個是廣義相對論,另一個是量子力學。這兩個領域基本瓜分了它們現世之後的物理學諾貝爾獎,它們一個用來研究超越一般大小的巨大天體,一個被用來十分微小的粒子。
  • 黑洞中的奇點,用相對論和量子力學都無法解釋,它真的存在嗎?
    而宇宙大爆炸的「奇點」,我們先不說,因為它更特殊。引力奇點的存在,是廣義相對論預言的一種現象。我們知道,廣義相對論其實是一種幾何學,所以奇點它是一個幾何上的一個點,所以說它沒有大小。不過原則上,它也可以是一維的線或者二維的膜。像之前說的,克爾黑洞這類,軸對稱的黑洞裡就不是點,而是環。
  • 愛因斯坦相對論與量子力學的結合取決於引力
    相對論是唯一一種能夠解釋粒子的產生以及湮滅因果關係的量子學說(對於研究者而言,原因永比結果重要)。我所言的完全相對論性,也就是所謂的狹義相對論。反過來看,量子場論是可行的,但是它能夠在廣義相對論所定義的可扭曲的背景下存在。這麼一來,事情開始變得複雜起來(在一般情況下,我們必須完全接受場的概念並完全放棄粒子的概念)。
  • 這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
    R(Rosen)和P(Podolsky)則是另外兩位物理學家的首寫字母,他們與愛因斯坦在1935年共同發表了兩篇非常有意思的論文。這個公式迷人之處在於,它連接了愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。我們知道,量子力學和廣義相對論在各自領域出色的描述著我們生活的世界,它們也預言過許多聽起來有違常識的概念。
  • 什麼是量子引力理論?廣義相對論與量子力學的結合,未解之謎
    物理學家可以精確地預測引力對恆星和行星的影響,但是沒人知道力如何與微小粒子或量子相互作用。因此,人們寄希望於一個引力規則控制所有星系,夸克及其之間所有事物的簡單期望推動了量子引力理論。從而,對於力如何作用於宇宙中最小的部分進行了近一個世紀的探索。廣義相對論的邊緣理論物理學中最棘手的問題是該領域的兩次最大勝利之間的衝突。
  • 相對論和量子論的「愛情長跑」未成正果
    黑洞引力對某人腳的拉動大於對頭的拉動,身體的拉伸好像廚師手上的義大利麵條,某人將被黑洞引力撕扯得「粉身碎骨」。黑洞引力在某人的腳和頭之間形成「剪刀差」,引力差形成的剪力將某人的身軀撕扯成物質粒子。物理學家以愛因斯坦的廣義相對論為依據描述了某人走向「黑洞刑場」的情形。1915年,愛因斯坦將狹義相對論推廣到廣義相對論。過去幾年,物理學家構想了某人跌入黑洞時「無處可逃」的圖景。
  • 關於黑洞:愛因斯坦廣義相對論這回或錯了,對的是霍金
    Space網站刊文稱,通過對探測引力波的數據進行認真研究,兩名物理學家認為,他們發現可能存在一種新型黑洞的證據:不符合根據愛因斯坦廣義相對論推導出的光滑的黑洞模型。▲可能存在一種黑洞,違背愛因斯坦的廣義相對論,但符合霍金的黑洞理論在廣義相對論中,黑洞是一種簡單的天體:被無限壓縮的奇點,四周是光滑的事件視界,光線、能量或物質都無法穿過事件視界而逃出黑洞的「魔爪」。在此之前,我們收集的所有有關黑洞的數據,都支持廣義相對論黑洞模型。但在20世紀70年代,霍金髮表的一系列論文表明,事件視界沒有那麼光滑。
  • 物理學家們精確地計算出了黑洞的中心——奇點究竟是什麼樣
    黑洞內部奇點的性質就一直是個謎1916年1月,在東線當兵的德國物理學家卡爾·史瓦西提出了廣義相對論的第一個精確解,這是阿爾伯特·愛因斯坦此前提出的激進的引力理論。廣義相對論把引力描繪成彎曲空間和時間的影響,而不是人們長期以來所理解的引力。史瓦西的解揭示了一個靜止的物質球體周圍時空的曲率。
  • 量子引力:量子理論+廣義相對論,100年來讓物理學家傷透了腦筋
    物理學家可以精確地描繪炮彈的軌跡,預測恆星或行星的軌道,卻依然弄不懂引力是怎麼與最小的粒子或量子發生作用的。為了明確這個問題,關於「量子引力」物理學家進行了近一個世紀的探索,只求達到「簡單」的期望:找到一條簡單而統一的規則,描述引力是如何同時掌控著極大的星系與極小的夸克,還有這二者之間的一切。
  • 在未來,廣義相對論和量子力學有可能統一嗎?科學家是這樣看的
    廣義相對論和量子力學不可調和我們要想真正理解黑洞、時間的起源和空間的本質,需要在某種程度上結合廣義相對論和量子力學的理論,但是,這兩個理論在本質上似乎是不可調和的。科學家們始終相信,在未來的某一天,現代物理學的兩大支柱——廣義相對論和量子力學一定會交融到一起。目前,廣義相對論和量子力學都分別取得了偉大的成就,但是它們看起來卻不可調和。
  • 量子力學表明黑洞視界上會有量子纏結
    儘管在近期不會有任何人類落入黑洞,但設想一下如果它的確發生了,那麼這將是一種探測宇宙最大謎題之一的偉大方式。這導致了所謂的黑洞防火牆悖論--黑洞一直都是宇宙謎題的來源。     根據艾爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論,如果黑洞吞噬你,你存活的概率為零。你將先被黑洞的潮汐力撕裂,這個過程被稱為義大利麵化(spaghettification)--指在強引力場中物體因潮汐力作用產生的拉伸形變。
  • 愛因斯坦為何拒絕黑洞,而物理學家為什麼喜歡研究黑洞?
    愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞,但愛因斯坦曾拒絕這個預言。那時,「黑洞」之名還未崛起,被稱為「史瓦西奇點」的它,與如今的聲名赫赫大相逕庭。愛因斯坦、愛丁頓等廣義相對論大牛都視其為200多年前「暗星」的一種虛妄延續。
  • 量子力學遇上廣義相對論 「墨子號」求解世紀謎題
    這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論開展實驗檢驗,將極大推動相關物理學基礎理論和實驗研究。物理學家的「終極夢想」描述微觀世界的量子力學和闡釋引力場的廣義相對論,是現代物理學的兩大支柱,它們在各自領域取得了巨大成功。然而,這兩大理論似乎天生是對「冤家」,無論科學家們如何努力使其融會貫通,始終不能「友好和平共處」:很多在廣義相對論框架下適用的物理規則,在量子領域就不再適用。廣義相對論和量子力學能否合二為一?
  • 弦理論能解釋黑洞奇點處的物理現象嗎?
    即使是這些理論的創造者也將奇點視為理論中的錯誤,而不是實際的科學主張。最著名的奇點是來自愛因斯坦廣義相對論的黑洞奇點。但是愛因斯坦自己拒絕承認這種奇點是他自己理論中的一個錯誤。奇點的出現並不是因為物質不能任意集中。這是一個事實,否則,構成的粒子將達到光速。
  • 首次瞥見黑洞中心附近存在的物理現象!超越黑洞奇點
    博科園-科學科普:理論物理學類我們第一次瞥見黑洞中心附近存在的物理現象,是通過「環量子引力」得以實現。環量子引力是一種利用量子力學將引力物理學擴展到愛因斯坦廣義相對論之外的理論。環量子引力起源於賓夕法尼亞州立大學,後來被世界各地的許多科學家發展起來,它為現代物理學開闢了一個新範式。該理論已經成為分析宇宙中某些地方極端宇宙學和天體物理學現象的主要候選理論,比如黑洞,在那裡廣義相對論的方程不再有用。
  • 諾獎快評|從廣義相對論到銀河系的中心:直擊黑洞的奧秘
    本文將介紹2020年諾貝爾物理學獎獲得者的主要成果,總字數6822,閱讀約21分鐘。特別感謝清華大學天文系蔡崢老師,物理系研究生團總支,物理系、天文系、工物系等專業同學的鼎力支持!羅傑·彭羅斯證明了黑洞是由廣義相對論導出得到的直接結果。但是該理論在黑洞中心奇點處的無限強引力極限下就會失效。
  • 量子引力理論:物理界的聖杯,量子力學、廣義相對論的結合者
    量子引力理論是一種結合了量子力學和廣義相對論的假想理論,它可以解答一些我們關於物理世界的深刻提問,稱它為物理界的聖杯實至名歸。為什麼我們需要量子引力理論?但是在廣義相對論下的引力場不能應用重整化消除「無限」的影響,只能通過引入量子引力理論使重力場量子化,才能夠解決這個問題使得計算有限可行。 我們需要量子引力理論因為黑洞的熵並非無限大。黑洞的表面區域被稱為事件視界,它與黑洞的熵有關,可以用來衡量視界內部包含的信息量,單位信息承載需要的視界面積為2平方普朗克。